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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umspritzen eines
Bauteils in einem Umspritzungsabschnitt mit einem Kunststoff sowie
eine entsprechende Vorrichtung.
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Bauteile,
die vorzugsweise aus einem metallischen Material wie Stahl, Aluminium,
Blech usw. bestehen, werden für
spezielle Anwendungen häufig
in einem Umspritzungsabschnitt mit einem thermoplastischen Kunststoff
umspritzt. Der Umspritzungsabschnitt, d. h. der Abschnitt des Bauteils,
in dem der umspritzte Kunststoff angeordnet ist, erstreckt sich hierbei
entlang einer Längsausdehnung
des jeweiligen Bauteils. Eine derartige Längsausdehnung kann beispielsweise
entlang der Längs-,
Quer- oder Höhenrichtung
des Bauteils oder eine beliebige andere Richtung des Bauteils verlaufen.
Hierbei muss der Umspritzungsabschnitt nicht in jedem Fall das Bauteil
in dem jeweiligen Umspritzungsabschnitt vollständig umgeben sondern kann sich
beispielsweise auch lediglich auf einer Fläche des Bauteils erstrecken.
Allerdings es auch möglich,
dass die Umspritzung das Bauteil in dem jeweiligen Umspritzungsabschnitt
vollständig
umgibt. Die Umspritzung des Bauteils kann beispielsweise das darunter
liegende metallische Material vor Korrosion schützen.
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Beim
Umspritzen von Bauteilen besteht häufig das Problem, dass eine
sogenannte Überspritzung
des Kunststoffes eintritt. Dieses bedeutet, dass sich in einem Endbereich
des Umspritzungsabschnitts eine oder mehrere Kunststoffnasen oder
andere aus dem Kunststoff vorstehende Bereiche bilden, die nach
Abschluss des Umspritzungsprozesses und Aushärtung des Kunststoffes wieder
entfernt werden müssen.
Dieses erfordert im Produktionsprozess einen zusätzlichen Schritt und ist deshalb
kostenaufwendig. Außerdem
besteht die Gefahr, dass sich Personen an den zumeist scharfkantigen Überspritzungen
verletzen können.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, ein Verfahren
zum Umspritzen eines Bauteils anzugeben bzw. eine entsprechende Vorrichtung
zu schaffen, so dass die geschilderten Überspritzungen wirksam vermieden
werden können.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem zumindest vor und/oder
während
das Bauteil mit dem Kunststoff umspritzt wird, dieses im Wesentlichen
im Bereich des Umspritzungsabschnitts von außen direkt mit einem druckbeaufschlagten,
verflüssigten
Gas, vorzugsweise CO2, gekühlt wird.
Dabei bedeutet "von
außen
direkt", dass das
expandierte CO2 unmittelbar auf die Außenseite
des Bauteils im Wesentlichen im Bereich des Umspritzungsabschnitts
aufgeblasen wird oder auf diese auftrifft. Die Angabe "im Wesentlichen im
Bereich des Umspritzungsabschnitts" bedeutet, dass das Bauteil im Bereich
des Umspritzungsabschnitts und/oder geringfügig, d. h. vorzugsweise um
höchstens
wenige Millimeter, von diesem beabstandet, d. h. ober-, unterhalb
oder seitlich, vom Umspritzungsabschnitt direkt mit dem druckbeaufschlagten,
verflüssigten
Gas gekühlt
wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass hierdurch Überspritzungen
des Kunststoffs wirksam vermieden werden können, da eine wirksame, ausreichende
sowie vor allem schnelle Kühlung
des Bauteils bzw. des Umspritzungsabschnitts erfolgt. Hierdurch
können
Kosten bei der Herstellung von umspritzten Bauteilen verringert
werden, da eine nachträgliche
Entfernung der Überspritzung
nicht mehr notwendig ist. Zudem wird die Gefahr von Verletzungen
in den Endbereichen der Umspritzung verringert. Die Erfindung nutzt
den Umstand, dass das unter Druck stehende, verflüssigte Gas
nach Austritt in dem Bereich des Umspritzungsabschnitts entspannt
wird, expandiert und in den gasförmigen
Zustand übergeht
sowie hierdurch der Umgebung Wärme
entzieht. Der Umspritzungsabschnitt kann somit effektiv gekühlt werden.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei
der Umspritzungsabschnitt entlang einer Längsausdehnung des Bauteils
ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wird das verflüssigte, druckbeaufschlagte
Gas direkt mindestens einem Bereich des Bauteils zugeführt, in
dem das erste Ende und/oder das zweite Ende des Umspritzungsabschnitts
angeordnet ist. Hierbei erstreckt sich der jeweilige, in diesem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
gekühlte
Bereich entlang der jeweiligen Längsausdehnung
des Bauteils geringfügig,
d. h. vorzugsweise um wenige Millimeter, über das jeweilige unmittelbare
Ende des Umspritzungsabschnitts hinaus. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform
werden gerade die Bereiche des Bauteils besonders einfach gekühlt, in
denen die Überspritzung
stattfindet. Sie kann somit besonders effektiv vermieden werden.
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In
vorteilhafter Weise wird das Gas nach der Expansion in die Umgebung
freigesetzt oder mittels einer Auffangeinrichtung aufgefangen und
vorzugsweise anschließend
gereinigt, wieder verflüssigt
und danach einer Einrichtung zur Bereitstellung des druckbeaufschlagten,
verflüssigten
Gases wieder zur Verfügung
gestellt. Insbesondere durch das Auffangen des Gases können weitere
Kosten gespart werden.
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Die
oben angegebenen Begriffsdefinitionen gelten auch für die nachfolgend
erläuterte
erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Die
obige Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zum Umspritzen
eines Bauteils gelöst, bei
der Mittel zum Kühlen
des Bauteils im Wesentlichen im Bereich des Umspritzungsabschnitts
von außen
direkt mit einem druckbeaufschlagten, verflüssigten Gas, vorzugsweise CO2, vorgesehen sind. Zwischen dem Bauteil
und dem expandierten Gas befindet sich demnach keine Wand der Vorrichtung. Das
druckbeaufschlagte flüssige
Gas wird stattdessen dem Bauteil direkt zugeführt und trifft auf dieses direkt
auf.
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Besonders
vorteilhaft hat sich erwiesen, dass die Mittel zum Kühlen des
Bauteils mit dem druckbeaufschlagten, verflüssigten Gas eine Einrichtung
zur Bereitstellung des druckbeaufschlagten, verflüssigten
Gases und mindestens eine Öffnung
in der Vorrichtung umfassen, die derart gestaltet ist, dass das
verflüssigte
Gas direkt in den Bereich der Vorrichtung geführt wird, in der das erste
Ende und/oder das zweite Ende des Umspritzungsabschnitts angeordnet
ist. Hierbei erstreckt sich der jeweilige, in diesem bevorzugten
Ausführungsbeispiel gekühlte Bereich
entlang der jeweiligen Längsausdehnung
des Bauteils geringfügig,
d. h. vorzugsweise um wenige Millimeter, über das jeweilige unmittelbare
Ende des Umspritzungsabschnitts hinaus. Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung
der Vorrichtung können
besonders effektiv Überspritzungen vermieden
werden. Hierbei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung einfach und
kostengünstig
aufgebaut.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
das druckbeaufschlagte und verflüssigte
Gas in die jeweilige Öffnung
mittels eines Edelstahlröhrchens
eingeführt.
Dieses wird fast bis an das an das Bauteil angrenzende Ende der
jeweiligen Öffnung vorgeschoben.
Alternativ verläuft
die mindestens eine Öffnung
mindestens teilweise durch einen Körper aus Edelstahl. Dies bedeutet,
dass die Öffnung entweder
mit einem Edelstahl ausgekleidet ist oder die Vorrichtung in dem
Bereich, in der die Öffnung verläuft, zumindest
teilweise aus einem Edelstahl besteht. Dieses Material hat sich
bei der Zufuhr von verflüssigtem
Gas, vorzugsweise CO2, bewährt.
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In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist mindestens ein Temperatursensor (Thermofühler) an dem Bauteil angeordnet,
der mit einer Steuereinrichtung verbunden ist. Die Steuereinrichtung
ihrerseits ist mit der Einrichtung zur Bereitstellung des druckbeaufschlagten,
verflüssigten
Gases verbunden. Hierdurch kann die Temperatur des Bauteils einfach
gemessen werden und die notwendige Menge an flüssigem, druckbeaufschlagtem
CO2 optimal eingestellt werden. Alternativ
kann die Bereitstellung des druckbeaufschlagten, verflüssigten
Gases auch durch eine Zeitsteuerung oder durch ein Maschinensignal
gesteuert werden. Ein Maschinensignal umfasst beispielsweise
- • das
Signal, dass die Vorrichtung (das Werkzeug) geschlossen ist,
- • das
Signal, dass mit der Zufuhr des Kunststoffes begonnen wurde, oder
- • das
Signal, dass die Phase des Nachdrucks beendet wurde (Als Nachdruck-Phase
wird beim Umspritzen die Phase bezeichnet, in der zur Verfestigung
des Kunststoffs ein erhöhter
Druck, beispielsweise von 1000 bar, aufgebracht wird.).
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Das
Maschinensignal umfasst aber auch weitere, mit sonstigen Bewegungen
der Maschine verbundene Signale, wobei die Maschine die erfindungsgemäße Vorrichtung
und sämtliche
mit dieser verbundene Einheiten einschließt.
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Ebenfalls
von Vorteil ist, wenn eine Auffangeinrichtung vorgesehen ist, die
das Gas nach der Expansion auffängt
und vorzugsweise anschließend
reinigt, wieder verflüssigt
und danach der Einrichtung zur Bereitstellung des druckbeaufschlagten,
verflüssigten
Gases zur Verfügung
stellt. Durch eine derartige Auffangeinrichtung können Kosten
gespart werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei
bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Ansprüchen
oder deren Rückbeziehung.
Hierbei zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
des in 1 dargestellten Querschnitts.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist
in einer Kavität
(Ausnehmung oder Hohlraum) mit einer entsprechenden Form und Größe ein Bauteil 2 auf.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Bauteil 2 zylinderförmig gestaltet. Die Verwendung
beliebiger anderer Bauteilformen zum Umspritzen ist jedoch ebenfalls
möglich.
Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einem metallischen Material,
vorzugsweise aus Stahl, Aluminium, Blech etc.
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Die
vorzugsweise aus Stahl bestehende Vorrichtung 1 weist etwa
im mittigen Bereich entlang der Längsachse 4 des Bauteils 2 eine
Ausnehmung 3 auf, die ebenfalls zylinderförmig gestaltet
ist und zur Anordnung des thermoplastischen Kunststoffs dient, der
nach dem Einsetzen des Bauteils in die Vorrichtung 1 in
diese Ausnehmung mittels einer Kunststoff-Spritzmaschine, die in 1 nicht
dargestellt ist, eingespritzt wird. Diese Ausnehmung 3 wird
auch als Hohlraum 3 für
die Umspritzung bezeichnet. Die Ausdehnung des Umspritzungsabschnitts,
d. h. des Abschnitts des Bauteils 2, in dem die Ausnehmung 3 angeordnet
ist, wird in 1 mittels eines Doppelpfeils
und dem Buchstaben U veranschaulicht. Der Hohlraum 3 weist
von einer Wand zur anderen Wand des Hohlraums 3 einen größeren Durchmesser
als das Bauteil 2 auf. Die fertiggestellte Umspritzung
hat eine Schichtdicke von vorzugsweise Bruchteilen von Millimeter
bis wenigen Millimetern, so dass die Schichtdicke der Umspritzung
deutlich geringer ist als der Durchmesser des Bauteils 2.
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Die
Ausnehmung 3 kann auch in einem anderen Bereich des Bauteils 2 vorgesehen
sein, je nachdem, wo sich die Kunststoff-Umspritzung an dem Bauteil nach
der Fertigstellung befinden soll. Der Umspritzungsabschnitt des
Bauteils 2 erstreckt sich nach dem Umspritzen in dem Hohlraum 3 zwischen
einem ersten Ende 11 und einem zweiten Ende 12 entlang
der Längsachse 4 des
Bauteils 2. Die Ausnehmung 3 kann die dargestellte
zylindrische oder beliebige andere Formen aufweisen.
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Die
Vorrichtung 1 weist im Wesentlichen im Bereich des ersten
Endes 11 des Hohlraums 3, d. h. geringfügig oberhalb
des ersten Endes 11, eine durch die Vorrichtung 1 durchgehende Öffnung 21 auf, durch
die mittels eines Röhrchens 41 (vorzugsweise aus
Edelstahl) druckbeaufschlagtes, verflüssigtes Gas, vorzugsweise CO2, dem Bereich des ersten Endes 11 zugeführt wird.
Die Öffnung 21 ist
im Wesentlichen zylinderförmig
gestaltet und erstreckt sich von der Außenseite 5 der Vorrichtung 1 bis
zu dem Bauteil 2 bzw. dem ersten Ende 11 des Umspritzungsabschnitts 3 und
verläuft
im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse 4 des
Bauteils 2. Der Öffnung 21 gegenüberliegend
ist eine weitere, ebenfalls zylindrisch geformte Öffnung 31 vorgesehen,
die sich von der der Außenseite 5 gegenüber liegenden
Außenseite 6 der Vorrichtung 1 bis
zum ersten Ende 11 des Hohlraums 3 des Umspritzungsabschnitts
auf der gegenüberliegenden
Seite der Öffnung 21 erstreckt
und ebenfalls der Zufuhr des verflüssigten, druckbeaufschlagten Gases
mittels eines Röhrchens 41 dient.
Ferner sind im Bereich des zweiten Endes 12 zwei weitere,
einander analog zu den Öffnungen 21 und 31 gegenüber liegende
und geformte Öffnungen 22 und 32 vorgesehen,
die ebenfalls der Zufuhr des verflüssigten, druckbeaufschlagten
Gases in den Bereich des zweiten Endes 12 mittels eines
Röhrchens 41 dienen.
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Das
an der jeweiligen Außenseite 5, 6 der Vorrichtung 1 angeordnete
Ende der Röhrchen 41 ist über eine
Zuleitung 7 jeweils mit einer Einrichtung 8 zur
Zufuhr des verflüssigten
und druckbeaufschlagten Gases verbunden. An dem Bauteil 2 ist
ferner etwa im mittigen Bereich dieses Bauteils 2 ein Thermofühler 9 an geordnet,
der mit einer Steuereinrichtung 10 (Controller) verbunden
ist. Der Thermofühler 9 misst
die Temperatur des Bauteils 2 und gibt diese über die
elektrische Verbindungsleitung 14 an die Steuereinrichtung 10 weiter.
Je nach gemessener Temperatur des Bauteils 2 steuert die
Steuereinrichtung 10, die ihrerseits über die elektrische Verbindungsleitung 15 mit
der Einrichtung 8 zur Zufuhr des verflüssigten und druckbeaufschlagten
Gases verbunden ist, die Menge des zu einem bestimmten Zeitpunkt
zugeführten
verflüssigten
und druckbeaufschlagten Gases.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann die Steuereinrichtung 10 die Zufuhr des verflüssigten Gases
alternativ oder zusätzlich
zu dem Temperatursignal mittels eines Maschinensignals und/oder durch
eine Zeitsteuerung steuern.
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In 1 nicht
dargestellt ist die Einrichtung, die in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
verwendet wird, um das nach der Expansion entstehende Gas aufzufangen.
Diese Auffangeinrichtung reinigt das aufgefangene Gas anschließend und
verflüssigt
es wieder. Anschließend
stellt die Auffangeinrichtung das verflüssigte Gas wieder der Einrichtung 8 zur
Bereitstellung des Gases zur Verfügung.
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Die
Einrichtung 8 zur Zufuhr des verflüssigten Gases erzeugt einen
Druck, sodass das verflüssigte
Gas mit einem Druck etwa zwischen vorzugsweise 50 und 60 bar, besonders
bevorzugt zwischen 53 und 57 bar auf das Bauteil 2 im Bereich
des ersten Endes 11 oder im Bereich des zweiten Endes 12 auftrifft.
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Die Öffnungen 21, 22, 31 und 32 können nicht
nur senkrecht zur Längsachse 4 des
Bauteils verlaufen sondern auch schräg zu dem Bereich des jeweiligen
Endes 11, 12 des Umspritzungsabschnitts 3 geführt werden.
Die Öffnungen 21, 22, 31 und 32 weisen
vorzugsweise einen Durchmesser von 1 bis 5 mm, be sonders bevorzugt
zwischen etwa 1 und 3 mm, ganz besonders bevorzugt zwischen etwa
2 und 2,2 mm auf.
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Die
Anordnung der Kapillarröhrchen 41 in der
jeweiligen Öffnung
ist noch einmal anhand von 2 am Beispiel
der Öffnung 31 verdeutlicht.
Das verflüssigte
und druckbeaufschlagte Gas wird in Kapillarröhrchen 41 aus Edelstahl
mit einem Außendurchmesser
zwischen 0,5 und 2 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,8 und 1,6
mm und einem Innendurchmesser zwischen 0,6 und 0,3 mm in die jeweilige Öffnung 21, 22, 31 und 32 eingeführt. Hierdurch gelangt
das verflüssigte
und druckbeaufschlagte Gas bis direkt zur Expansionsstelle im Bereich
des ersten Endes 11 und/oder des zweiten Endes 12 des
Umspritzungsabschnitts des Bauteils 2.
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In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
besteht die gesamte Vorrichtung 1 aus einem Edelstahl.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Umspritzen des Bauteils 2 erfordert zunächst das
Einlegen des Bauteils 2 in den hierfür vorgesehenen Hohlraum. Die
vorzugsweise aus zwei Teilen bestehende Vorrichtung 1 wird
anschließend
zusammen gesetzt und abgedichtet sowie mit einer nicht dargestellten Spritzmaschine
verbunden. Nun wird mit dem Umspritzen des Bauteils 2 begonnen
und die Temperatur mittels des Temperaturfühlers 9 überwacht,
mindestens so lange bis der gesamte Hohlraum 3 gefüllt ist. Falls
erforderlich aufgrund der gemessenen Bauteil-Temperatur oder aufgrund
anderer Parameter (z. B. Zeitsteuerung oder Maschinensignal-Steuerung) erfolgt
Zufuhr des verflüssigten
und druckbeaufschlagten Gases aus der Einrichtung 8 in
den Bereich des ersten Endes 11 und/oder des zweiten Endes
12 zum Kühlen
in diesem Bereich während
des Umspritzens. Hierbei kann mit dem Kühlen des Bauteils 2 auch
bereits vor dem Umspritzen des Bauteils begonnen werden und/oder
die Gaszufuhr noch nach Ende des Spritzprozesses fortgesetzt werden.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Bauteil
- 3
- Ausnehmung
oder Hohlraum für umspritzenden
Kunststoff
- 4
- Längsachse
des Bauteils 2
- 5
- Außenseite
der Vorrichtung 1
- 6
- Außenseite
der Vorrichtung 1
- 7
- Zuleitung
- 8
- Einrichtung
zur Zufuhr des verflüssigten
und druckbeaufschlagten Gases
- 9
- Thermofühler
- 10
- Steuereinrichtung
(Controller)
- 11
- erstes
Ende des Umspritzungsabschnitts
- 12
- zweites
Ende des Umspritzungsabschnitts
- 14
- elektrisch
leitende Verbindung zwischen Thermofühler 9 und Steuereinrichtung 10
- 15
- elektrisch
leitende Verbindung zwischen Steuereinrichtung 10 und Einrichtung 8 zur
Zufuhr des verflüssigten
und druckbeaufschlagten Gases
- 21,
22, 31, 32
- durchgehende Öffnung in
Vorrichtung 1
- 41
- Röhrchen,
vorzugsweise aus Edelstahl
- U
- Ausdehnung
des Umspritzungsabschnitts